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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 15 / Maschinenbau  → Institut für Thermische Energietechnik (ITE)  → Fachgebiet Solar- und Anlagentechnik  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2017082153287

Title: Construction and Analysis of Heat-and Mass Exchangers for Liquid Desiccant Systems
Authors: Jaradat, Mustafa
???metadata.dc.subject.swd???: WärmeaustauscherAbsorberRegeneratorKlimatechnikTrocknungRohrbündel
???metadata.dc.subject.ddc???: 540 - Chemie (Chemistry and allied sciences)620 - Ingenieurwissenschaften (Engineering and allied operations)
Issue Date: 21-Aug-2017
Abstract: Construction and Analysis of Heat-and Mass Exchangers for Liquid Desiccant Systems Novel flat plate and tube-bundle heat and mass exchangers were designed, built, and experimentally examined in combination with an aqueous solution of lithium chloride as a desiccant. Prior to the construction of the components, two test rigs were built for the evaluation of several textiles and liquid desiccant distributors. The first test rig was used for the evaluation of liquid desiccant wicking performance of different fabrics. Several textiles with different compositions, thicknesses, and surface densities were tested at different desiccant solution mass fractions. The evaluation aimed to determine the textile with the highest absorption capacity and the best diffusion behavior. The best performing textile was implemented as a contact surface between the air and the desiccant solution in the heat and mass exchangers. The second test-rig was utilized for the evaluation of desiccant solution distribution over the exposed surface. Several tests were conducted for different geometry profiles and different solution flow rates. The experiments aimed to find a liquid desiccant distributor that is capable of facilitating the maximum uniform distribution of the liquid desiccant at low flow rates. Two plate-type liquid desiccant absorbers were implemented in internally-cooled and adiabatic dehumidification modes for air conditioning and drying applications, respectively. Also, two tube-bundles were implemented in an internally-heated mode for the regeneration of the liquid desiccant. Several experiments were conducted with the components that have been constructed in different processes; adiabatic dehumidification mode, internally-cooled absorber, and internally-heated regenerator. A parametric analysis was performed to evaluate the influence of some of the most important operational parameters on the components performance. The performance is represented by the moisture removal rate and the component effectiveness. The absorber performance was studied as a function of the desiccant solution flow rate, cooling water flow rate, air inlet humidity ratio, and air inlet temperature. Also, the liquid desiccant regenerator was studied as a function of the desiccant solution flow rate, desiccant solution inlet temperature, heating water inlet temperature, and air inlet temperature. The results indicate that water transfer rates increase with desiccant flow rate, but those results are not significant for the investigated range of desiccant flow rates. Increasing the cooling water flow rates also has a positive impact on water transfer rates between the desiccant and the air streams. Higher water temperatures increase the regeneration rate at the regenerator. Also, the results showed that increasing the air inlet temperature has a small effect on the moisture removal rate for both the absorber and regenerator experiments in the internally cooled or heated modes, respectively. The results of the internally cooled dehumidification showed a consistent reduction in the humidity ratio. In the experimental runs the change in the relative humidity ranges between 12 and 18 %-points accompanied with a change in the humidity ratio that ranges between 2.4 and 4.1 g/kg. For the given experimental setup, the conditions of the air leaving the internally cooled absorber lie within the thermal comfort zone according to European and American standards. Furthermore, a comparison between an internally cooled absorber with a cooling water temperature of 20°C and a conventional vapor compression system with an apparatus dew point temperature of 12 °C is performed. The results show that the dehumidification through the internally cooled absorber leads to savings in the dehumidification load of about 40% when compared to cooling the air below its dew point temperature in conventional air conditioning systems. The results of the liquid desiccant regeneration through the tube-bundle showed that heating-water inlet temperature (at constant mass flow rate of the heating water) has the highest impact on the moisture removal rate which was varied in the range between 50 °C and 90 °C, through which the diluted solution is regenerated with an increase of the LiCl-mass fraction in the regeneration of a value between 0.01 kg/kg and 0.06 kg/kg. Moreover, the air to solution mass ratio has a major impact on the performance of the regenerator. Furthermore, the plate-type absorber experimental results were compared with results of a numerical finite difference model that has been developed at the Institute of Solar and Engineering Systems. Significant disagreements are found when comparing the numerical model to the majority of the experimental results for the plate type absorbers. The model results over predict the heat and mass transfer compared to the experimental results beyond the experimental uncertainty. This is a result of ideal conditions and assumptions of uniform distribution of the circulated fluids. In the absorption experiments, the model yields moisture transfer rates of 11% to 35%-points than those observed in the dehumidification experiments performed in the laboratory. Also, the deviation of results was larger for the demonstration plant measurements compared to the laboratory measurements. However, the moisture transfer rate trends were similar. In the framework of the presented PhD study a liquid desiccant demonstration plant including instrumentation was developed and erected. The developed dehumidifier and regenerator were implemented in an open cycle liquid desiccant demonstration plant for drying hay bales. The components are installed in a 20 foot container at the Hessian State Domain Frankenhausen, Germany. Several adiabatic dehumidification experiments were performed in different seasons of the year by applying ambient air. The absorber aims at reducing the process air humidity ratio and heating up the air by few Kelvins above the ambient temperature. The performance of the absorber was studied as a function of the desiccant solution flow rate for a fixed air flow rate with varying ambient conditions. The experimental results showed a consistent increase in the process air temperature in the range of 3 to 8.5 K accompanied with a reduction in the air inlet humidity ratio in the range of 1.3 to 4.3 g/kg, depending on the desiccant flow rate and the ambient air conditions. The maximum change in the solution concentration was 5.7 % points for an air to desiccant mass ratio (G/L) of 82. This concentration spread yields a volumetric energy storage capacity of about 430 MJ/m3. This value is very low compared to the simulated value as a result of insufficient wetting of the absorber plates. In an additional test sequence, the desiccant solution was pumped in the absorber in an intermittent mode, in order to reach higher storage capacities and to improve wetting of the contact surface. In this measurement, a concentration spread of about 13 % points and an energy storage capacity of about 900 MJ/m3 (about 8 times more than for continuous flow with the same desiccant mass flow rate) was observed.Aufbau und Untersuchungen eines Wärme- und Stoffübertragers für offene Sorptionssysteme: Es wurden neuartige Wärme- und Stoffübertrager in Platten- und Rohrbündelausführung ausgelegt, errichtet und experimentell untersucht. Als Sorbens wurde eine wässerige LiCl-Salzlösung verwendet. Für Voruntersuchungen wurden zudem zwei Versuchsstände zur Untersuchung der Benetzbarkeit von Textilien, die auf die Tauscherfläche aufgebracht werden, und zur Untersuchung des Salzlösungsverteilungssystems errichtet. Der erste Versuchsstand dient zur Untersuchung der Saug- bzw. Kapillarkraft verschiedener Textilarten. Die verwendeten Textilien verfügten über verschiedene Strukturen und Zusammensetzungen, Stärken und Oberflächendichten Sie wurden mit Sorbens unterschiedlicher Konzentration beaufschlagt. Ein Ziel der Untersuchungen war die Ermittlung von Textilien mit möglichst guten Absorptions- und Diffusionseigenschaften. Das Textil mit den besten Eigenschaften wurde im Wärme- und Stoffübertrager als Austauschoberfläche zwischen der Prozessluft und Salzlösung verwendet. Der zweite Versuchsstand dient zur Untersuchung des Salzlösungsverteilungssystems und der Verteilung der Salzlösung über der Austauschoberfläche. Unterschiedliche Verteilergeometrien und Salzlösungsmassenströme wurden untersucht. Zudem wurde ein Verteiler entwickelt mit dem Ziel, eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Salzlösung¬ bei niedrigen Massenströmen zu erreichen. Des Weiteren wurden zwei Plattenabsorber in einem intern gekühlten und adiabaten Entfeuchtungsbetrieb für Luftklimatisierungs- und Trocknungsanwendungen implementiert. Auch wurden zwei Rohrbündel zur Regeneration der Salzlösung in einem intern beheizten Betrieb implementiert. Die Komponenten wurden im adiabaten Betrieb, als intern gekühlter Absorber und intern beheizter Regenerator vermessen. Wichtige Einflussparameter wurden eingehend untersucht. So wurden im Absorber insbesondere der Salzlösungs- und Kühlwassermassenstrom, sowie die Eintrittswerte für Luftfeuchte und -Temperatur variiert, im Regenerator wurden insbesondere der Salzlösungsmassenstrom sowie die Eintrittstemperaturen der drei Medien variiert. Als Bewertungsgrößen wurden der Entfeuchtigkeitsgrad und die Effektivität der Wärme- und Stoffübertragung in den untersuchten Komponenten verwendet. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass sich der Verdampfungsmassenstrom nur geringfügig mit steigendem Salzlösungsmassenstrom erhöht. Ebenso verändert sich der Verdampfungsmassenstrom durch eine Erhöhung der Lufteintrittstemperatur sowohl im intern gekühlten Absorber als auch im intern geheizten Regenerator nur geringfügig. Dagegen haben der interne Kühlwassermassenstrom im Absorber und die Heizwassertemperatur im Regenerator einen stärkeren Einfluss auf den Verdampfungsmassenstrom und somit auf den resultierenden LiCl-Massenanteil des Sorbens in den Komponenten. Im intern gekühlten Absorber ergibt sich eine Änderung der relativen Luftfeuchtigkeit von 12 bis 18 %-Punkten. , Dies entspricht einer Abnahme des Luftwassergehalts im Absorber von 2,4 g/kg bis 4,1 g/kg. Somit entspricht die Luftqualität nach der Konditionierung in der Absorptionseinheit der Luftbehaglichkeitsanforderungen laut DIN. Weiterhin wurde ein theoretischer Vergleich zwischen dem untersuchten, intern gekühlten Absorber mit einer Kühlwassertemperatur von 20 °C und einer konventionellen Kompressionskältemaschine mit einer Taupunkttemperatur von 12 ° C durchgeführt. Dabei ergab sich für die Luftentfeuchtung durch den Absorber eine Verringerung der Entfeuchtungsenthalpie um bis zu 40% im Vergleich zur Luftkonditionierung mit dem konventionellen System. Die Untersuchungen des intern geheizten Rohrbündelregenerators veranschaulichen, dass die Heizwassertemperatur einen erheblichen Einfluss auf den Verdampfungsmassenstrom hat, wobei die Heizwassertemperatur von 50 °C bis 90 °C bei konstantem Heizwassermassenstrom variiert wurde. Die Änderung des LiCl-Massenanteils der Salzlösung im Regenerator lag dabei im Bereich zwischen 0,01 kg/kg und 0,06 kg/kg. Zudem wurden die Versuchsergebnisse des Plattenabsorbers mit einem numerischen Finite-Differenzen-Modell verglichen, das am Fachgebiet Solar- und Anlagentechnik entwickelt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass der Wärme- und Stofftransport im numerischen Modell im Vergleich zu den Experimenten aufgrund von idealisierten Modellannahmen überschätzt wird. Insbesondere führt die getroffene Annahme einer gleichmäßigen Salzlösungsverteilung zu hohen Abweichungen. So betrug die Abweichung des übertragenen Wasserdampfmassenstroms in den durchgeführten Laboruntersuchungen des Absorptionsprozesses zwischen 11% und 35%. Zudem waren die Abweichungen zwischen gemessenen und modellierten Datender Laborexperimente geringer als die der Demonstrationsanlage Allerdings ist dabei eine ähnliche Tendenz des übertragenen Wasserdampfs zu sehen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde zudem eine Demonstrationsanlage für ein offenes Absorptionssystem zur Heuballentrocknung errichtet, in der die zuvor entwickelten Komponenten Absorber und Regenerator eingehend untersucht wurden. Die Entfeuchtung und Erwärmung der Außenluft während des Absorptionsprozesses wurde in unterschiedlichen Jahreszeiten vermessen. Der absorbierte Wasserdampfmassenstrom wurde in der Abhängigkeit vom Salzlösungsmassenstrom mit einem festen Luftvolumenstrom unter verschiedenen Luftbedingungen untersucht. Die Versuchsergebnisse zeigen eine Erhöhung der Prozesslufttemperatur im Bereich von 3 bis 8,5 K sowie eine Senkung des Wassergehalts der Luft von 4,3 bis 1,3 g/kg in Abhängigkeit vom Salzlösungsmassenstrom und Außenluftbedingungen. Die größte Änderung der LiCl-Massenanteils in der Lösungbetrug 5,7% bei einem Massenstromverhältnis der Luft zur Salzlösung von 82. Daraus ergibt sich eine volumetrische Energiespeicherkapazität von ca. 430 MJ/m3. Dieser Wert ist im Vergleich zum theoretisch ermittelten Wert aufgrund einer unvollständigen Benetzung der Absorberplatten sehr gering. In einer zusätzlichen Versuchsreihe wurde die Salzlösung im Absorber daher in einem intermittierenden Betrieb gepumpt, um höhere Energiespeicherkapazitäten zu erreichen und die Benetzung der Absorberplatten zu verbessern. Bei dieser Messung wurde eine Konzentrationsänderung von ungefähr 13%-Punkten und eine Energiespeicherkapazität von ca. 900 MJ/m³ ermittelt.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2017082153287
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